Номер 6, страница 304 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Глава 4. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Параграф 63. Деление ядер урана. Цепная реакция. Ответь на вопросы - номер 6, страница 304.

Условие.

6. Что называют критической массой урана?

Решение.

Решение 2.

Критическая масса урана — это наименьшая масса делящегося вещества (например, изотопа урана-235 или плутония-239), при которой в нём может происходить самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Процесс цепной реакции основан на делении атомных ядер. Когда ядро урана-235 поглощает нейтрон, оно делится на два или более осколков, при этом высвобождается большое количество энергии и несколько новых нейтронов (в среднем 2-3). Эти новые нейтроны, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер урана, продолжая цепную реакцию.

Однако не все испущенные нейтроны вызывают новые деления. Часть из них может быть поглощена неделящимися ядрами (например, урана-238) или примесями, а часть может просто вылететь за пределы образца урана, не встретив на своем пути ни одного ядра.

Для характеристики цепной реакции вводится коэффициент размножения нейтронов $k$. Это отношение числа нейтронов в данном поколении реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении. В зависимости от значения этого коэффициента различают три состояния вещества:

• Если масса урана меньше критической (подкритическое состояние), то $k < 1$. В этом случае количество нейтронов, вызывающих деление, со временем убывает, так как больше нейтронов теряется (вылетает или поглощается без деления), чем рождается новых. Цепная реакция быстро затухает.
• Если масса урана равна критической (критическое состояние), то $k = 1$. Число нейтронов, вызывающих деление, остается постоянным. Теряется ровно столько же нейтронов, сколько рождается в процессе деления. Возникает самоподдерживающаяся цепная реакция, которая протекает со стационарной скоростью. Этот режим используется в ядерных реакторах для выработки энергии.
• Если масса урана больше критической (надкритическое состояние), то $k > 1$. Число нейтронов лавинообразно нарастает, что приводит к экспоненциальному росту числа делений и выделяемой энергии. Это приводит к ядерному взрыву.

Величина критической массы не является постоянной и зависит от множества факторов:

• Изотопный состав: Чем выше концентрация делящегося изотопа (например, U-235), тем меньше критическая масса.
• Форма: Наименьшую критическую массу имеет образец сферической формы, так как у сферы минимальное отношение площади поверхности к объему, что уменьшает утечку нейтронов через поверхность.
• Плотность: С увеличением плотности вещества ядра оказываются ближе друг к другу, и вероятность захвата нейтрона ядром возрастает. Это уменьшает критическую массу.
• Наличие отражателя нейтронов: Окружение делящегося вещества оболочкой из материала, хорошо отражающего нейтроны (например, бериллий), возвращает часть вылетающих нейтронов обратно в активную зону, что также снижает критическую массу.

Например, для чистого урана-235 критическая масса для голой сферы составляет около 47 кг.

Ответ: Критическая масса урана — это минимальная масса этого делящегося материала, необходимая для начала и поддержания самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, при которой коэффициент размножения нейтронов равен единице ($k=1$).